JP2011208959A - 制御棒 - Google Patents

Abstract

【課題】照射誘起型応力腐食割れをさらに抑制することができる制御棒を提供する。
【解決手段】制御棒は、タイロッド４から四方に伸びる４枚のブレード２を有する。各ブレード２では、横断面がＵ字状のシース６がタイロッド４、ハンドル及び下部支持部材に接合され、ハフニウム部材３Ｕがシース６内に配置される。ハフニウム部材３Ｕがハンドルの舌状部１１Ｕに取り付けられた固定用ピン１２によって保持される。一対の直線状の溝２０Ａ，２０Ｂが、固定用ピン１２の両端面にそれぞれ形成される。シース６内の冷却水が溝２０Ａ，２０Ｂ内を通って上昇し、固定用ピン１２周囲での高ボイド率領域の形成が抑制される。さらに、固定用ピン１２とシース６内面の間の間隙Ｇ１も拡がって腐食生成物の蓄積もなく、間隙Ｇ１での隙間腐食環境の形成が抑制される。シース６の固定用ピン１２付近での照射誘起型応力腐食割れの発生が抑制される。
【選択図】図２

Description

本発明は、制御棒に係り、特に、沸騰水型原子炉に適用するのに好適な制御棒に関する。

沸騰水型原子炉で用いられる従来の制御棒の構造及びこれが設置される環境について説明する。沸騰水型原子炉は、複数の燃料集合体が装荷された炉心を原子炉圧力容器内に有している。これらの燃料集合体内に存在する核燃料物質に含まれたウラン２３５が、中性子を吸収して核分裂を起こし、熱を発生する。炉心に供給された炉水（冷却水）は、その熱によって加熱されて沸騰し、一部が蒸気になる。炉心内では、上記の核分裂によって新たに発生する中性子が他のウラン２３５を分裂させる連鎖反応が起きている。

核分裂の連鎖反応量を制御するため、中性子吸収材を内部に収納する制御棒が利用される。このうち、沸騰水型原子炉で通常使用される制御棒は、横断面が十字形をしており、４体の燃料集合体のチャンネルボックスの相互間に形成される間隙（飽和水領域）内に挿入される。４体の燃料集合体にて構成される１つのセル当たり１体の制御棒が設けられる。原子炉圧力容器内でほぼ１つのセル毎にそれら４体の燃料集合体の下方に、制御棒案内管が配置される。制御棒は、セル内の４体の燃料集合体の各チャンネルボックス、及び制御棒案内管をガイド部材として利用する。また、制御棒は、下端部が制御棒駆動機構に連結され、制御棒駆動機構の駆動操作によって炉心に挿入され、炉心から引抜かれる。制御棒は、反応度制御及び出力分布の調整に用いられる重要機器である。

沸騰水型原子炉に用いられる従来の制御棒の構造を簡単に説明する。この制御棒は、ハンドルがタイロッドの上端部に、落下速度リミッタがタイロッドの下端部にそれぞれ接合され、タイロッドの中心軸に位置するタイロッドから四方に伸びる４枚のブレードを有している。各ブレードは、タイロッドに取り付けられた、横断面がＵ字状になっているシースを有し、このシース内に、中性子吸収部材である複数のハフニウム楕円管を配置している（例えば、特開平９−６１５７６号公報及び特開２００９−４１９９４号公報参照）。

ハフニウム部材を用いた上記の制御棒では、シース内に、横断面が楕円形で、タイロッドの軸方向長さの約半分の軸方向長さを有する４本のハフニウム楕円管が、シース内に配置されている。４本のハフニウム楕円管のうち２本のハフニウム楕円管の上端部が、固定用ピンによって、ハンドルの下端に設けられた２つの舌状部にそれぞれ取り付けられている。残りの２本のハフニウム楕円管の下端部が、固定用ピンによって、下部支持部材（または落下速度リミッタ）の上端に設けられた２つの舌状部にそれぞれ取り付けられている。下部支持部材（または落下速度リミッタ）に取り付けられた２本のハフニウム楕円管は、ハンドルに取り付けられた２本のハフニウム楕円管の下方に配置される。

近年、沸騰水型原子炉に用いられる制御棒においてのシース表面に微小なひびが生じる事象が報告されている。このひびが、応力、腐食及び放射線照射の３つの環境要因が重畳した時に発生する照射誘起型応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ：Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking）であると考えられている。

特開２００９−４１９９４号公報が、制御棒のシースに発生する照射誘起型応力腐食割れを抑制する制御棒を提案している。この制御棒は、シースの内面に対向する、ハフニウム楕円管の両側の各側面に、窪みを形成し、シース内面とハフニウム楕円管の側面の間に形成された間隙の幅を部分的に拡げている。シース内面とハフニウム楕円管の側面の間に形成された間隙の幅を部分的に拡げることによって、この間隙における腐食生成物の堆積を防止し、シースに発生する照射誘起型応力腐食割れを抑制している。

特開平９−６１５７６号公報 特開２００９−４１９９４号公報

発明者らが、特開２００９−４１９９４号公報に記載された制御棒を検討したところ、ハフニウム楕円管を舌状部に取り付けている固定用ピンを取り囲んで、特に、シース内の冷却水の流れ方向で固定用ピンの下流側に拡がる、後述するような高ボイド率領域が形成される恐れがあることが分かった。この高ボイド率領域の形成は、ＢＷＲの運転中において、ハフニウム楕円管の（ｎ，γ）反応による発熱により、シースとハフニウム楕円管との間に形成される隙間にボイドが発生することに起因し、さらに、固定用ピンの、平面である端面がハフニウム楕円管の側面よりもシース内面側に突出してシース内を上昇する冷却水の流れを遮っていることが主な要因であることが、新たに判明した。

さらに、発明者らの検討により、固定用ピンとシース内面の間に形成される間隙に、シース内に流入する冷却水に含まれる不純物及び腐食生成物が蓄積する可能性があることが分かった。固定用ピンとシース内面との間に不純物及び腐食生成物が蓄積した場合には、固定用ピンとシース内面の間の、不純物及び腐食生成物が蓄積した領域が、隙間腐食環境になる恐れがある。上記したように固定用ピンの周囲に高ボイド率領域が形成された環境下で固定用ピンとシース内面の間の間隙に隙間腐食環境が形成された場合には、その隙間腐食環境が悪化する懸念があることが分かった。

ハフニウム楕円管を用いた従来の制御棒においては、シースとハンドル、及びシースとタイロッドが溶接にてそれぞれ接合されるので、固定用ピン付近のシースに引張残留応力が発生する。また、この制御棒がＢＷＲの運転中に炉心に挿入されているので、固定用ピン付近のシースも放射線照射を受ける。

したがって、固定用ピンの周囲に高ボイド率領域が形成され、固定用ピンとシース内面との間に隙間腐食環境が形成されることにより、固定用ピン付近でシースに照射誘起型応力腐食割れが生じる可能性がある。

本発明の目的は、照射誘起型応力腐食割れを抑制することができる制御棒を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、シース内に配置されたハフニウム部材がハンドルの下端部に設けられた保持部にピン部材によって取り付けられ、シースの内面側が開放されてピン部材の端部を横切っている冷却材通路が、ピン部材の両端部にそれぞれ形成され、この冷却材通路がタイロッドの軸方向に配置されていることにある。

シースの内面側が開放されてピン部材の端部を横切っている冷却材通路が、ピン部材の両端部にそれぞれ形成されており、この冷却材通路がタイロッドの軸方向に配置されているので、シース内を上方に向かって流れる冷却材がその冷却材通路内を流れることによりピン部材付近でピン部材の周囲に形成されるボイド率の高い領域が縮小される。さらに、その冷却材通路の形成によってピン部材とシース内面の間に形成される間隙の幅が拡がり、この間隙での腐食生成物の蓄積が防止されるので、間隙内での隙間腐食環境の形成が抑制される。ボイド率の高い領域が縮小及び隙間腐食環境の形成の抑制によって、シースのピン部材付近での照射誘起型応力腐食割れの発生を抑制することができる。

シース内に配置されたハフニウム部材がハンドルの下端部に設けられた保持部にピン部材によって取り付けられ、シースの、ピン部材の端面に対向する部分に、シースを貫通する冷却材孔を形成したことによっても、上記した目的を達成することができる。シース内を上昇する冷却材が冷却材孔を通ってシースの内外に出入りするので、ピン部材付近でピン部材の周囲に形成されるボイド率の高い領域を縮小することができ、さらに、ピン部材とシース内面の間に形成される間隙内での隙間腐食環境の形成が抑制される。したがって、シースのピン部材付近での照射誘起型応力腐食割れの発生を抑制することができる。

本発明によれば、シースのピン部材付近での照射誘起型応力腐食割れの発生を抑制することができる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の、沸騰水型原子炉に用いられる制御棒の構成図である。 図１のII−II断面図である。 図２に示された固定用ピンの構成図であり、（Ａ）は固定用ピンの斜視図、（Ｂ）はこの（Ａ）のＸ１−Ｘ１断面図である。 実施例で用いられる固定用ピンの他の例の構成図であり、（Ａ）はこの固定用ピンの斜視図、（Ｂ）はこの（Ａ）のＸ２−Ｘ２断面図である。 固定用ピン付近の冷却水の流動状態を示す説明図であり、（Ａ）は固定用ピンの端面に形成された溝が制御棒の軸方向を向いているときにおける冷却水の流動状態を示す説明図であり、（Ｂ）はその溝が制御棒の軸方向と直交する方向を向いているときにおける冷却水の流動状態を示す説明図である。 回転抑制機構を備えた固定用ピンでハフニウム部材を保持する状態を示す説明図である。 回転抑制機構を備えた他の固定用ピンでハフニウム部材を保持する状態を示す説明図である。 回転抑制機構を備えた他の固定用ピンでハフニウム部材を保持する状態を示す説明図である。 従来の制御棒における固定用ピンの周囲に形成された高ボイド率領域を示す説明図である。 固定用ピンの周囲の冷却水の流動状態を示す図９のＢ部の拡大図である。 本発明の他の実施例である実施例２の制御棒に用いられる固定用ピンの構成図であり、（Ａ）はこの固定用ピンの斜視図、（Ｂ）はこの（Ａ）のＸ３−Ｘ３断面図である。 実施例２の制御棒に用いられる固定用ピンの他の例の構成図であり、（Ａ）はこの固定用ピンの斜視図、（Ｂ）はこの（Ａ）のＸ４−Ｘ４断面図である。 本発明の他の実施例である実施例３の制御棒に用いられる固定用ピンの構成図であり、（Ａ）はこの固定用ピンの斜視図、（Ｂ）はこの（Ａ）のＸ５−Ｘ５断面図である。 実施例３における固定用ピン付近の冷却水の流動状態を示す説明図であり、（Ａ）は固定用ピンの端面に形成された十字形の溝の一つの方向に伸びている溝が制御棒の軸方向を向いているときにおける冷却水の流動状態を示す説明図であり、（Ｂ）はこの（Ａ）の状態から十字形の溝を４５°回転させた状態における冷却水の流動状態を示す説明図である。 実施例３の制御棒に用いられる固定用ピンの他の例の構成図であり、（Ａ）はこの固定用ピンの斜視図、（Ｂ）はこの（Ａ）のＸ６−Ｘ６断面図である。 本発明の他の実施例である実施例４の、沸騰水型原子炉に用いられる制御棒の構成図である。 図１６のＣ−Ｃ断面図である。 図１６に示された固定用ピンの構成図であり、（Ａ）は固定用ピンの斜視図、（Ｂ）はこの（Ａ）のＸ７−Ｘ７断面図である。

発明者らが、特開２００９−４１９９４号公報に記載された制御棒を検討した。この結果、シースとハフニウム楕円管の間に形成される間隙内で、ハフニウム楕円管を舌状部に取り付けている固定用ピンの周囲に高ボイド率領域が形成されることが判明し、さらに、固定用ピンとシース内面との間に形成される間隙に、シース内に流入する冷却水に含まれる不純物及び腐食生成物が蓄積する可能性があることが分かった。固定用ピンとシース内面との間の、不純物及び腐食生成物が蓄積した領域が隙間腐食環境になり、この隙間腐食環境が上記の高ボイド率領域内に形成されることが、この隙間腐食環境の悪化を招く懸念がある。

上記の高ボイド率領域は、主に、ハフニウム楕円管に含まれたハフニウムの中性子吸収反応に伴うγ発熱による沸騰が生じている領域である。中性子吸収反応は、制御棒の軸方向において上部ほど大きくなり、シース内での下方から上方に向かう冷却水の流れとあいまって、ハフニウム楕円管を固定する固定用ピン付近が高ボイド率領域になる。固定用ピン周辺でのシースとハフニウム楕円管の間に形成される狭隘部で腐食形成し狭隘化が進む中で、シース内を流れる冷却水に含まれる不純物等が冷却水の沸騰により濃縮され、固定用ピン周辺に蓄積されることにより、さらに、固定用ピン周辺での隙間腐食環境が悪化する。隙間腐食環境の悪化とは、固定用ピン周辺の狭隘部で酸素の供給が不足して溶存酸素濃度が低下することにより、隙間外の高酸素濃度との酸素濃度の差が生じ、この酸素濃度差に起因した腐食電池形成によりシースの腐食が進むことを意味している。

特開２００９−４１９９４号公報に記載された制御棒の検討結果を、図９及び図１０を用いて詳細に説明する。この制御棒は、軸心に配置されたタイロッド４の上端部にハンドル５が取り付けられ、横断面がＵ字状をしたステンレス鋼製のシース６の上端がハンドル５に、さらに、シース６の側端がタイロッド４に溶接にてそれぞれ接合されている。シース６内に配置された、楕円形状の筒であるハフニウム部材３Ｕが、ハンドル５の下端部に形成された舌状部に固定用ピン１６で取り付けられている。

この制御棒が原子炉圧力容器内の炉心に挿入された状態で、ＢＷＲが運転されている。炉心に供給される冷却水の一部が、ハフニウム部材３Ｕとシース６の内面の間に形成される間隙内に流入し、この間隙内を上方に向って流れる。

発明者らは、ＢＷＲの運転時における、ハフニウム部材３Ｕとシース６の内面の間に形成される間隙内での冷却水の流動状態を検討した。この結果、発明者らは、ハフニウム部材３Ｕとシース６の内面の間に形成される間隙内において固定用ピン１６付近で固定用ピン１６を取り囲む高ボイド率領域Ｒ１が形成されることを見出した。ＢＷＲの運転時において、ハフニウム部材３Ｕが炉心で発生する熱中性子の吸収反応である（ｎ，γ）反応を生じて発熱し、この熱がハフニウム部材３Ｕとシース６の内面の間に形成される間隙内を流れる冷却水に伝えられてその間隙内でボイドが発生する。このボイドが固定用ピン１６の周囲に集まるものと推定される。

その間隙における固定用ピン１２周辺での冷却水の流動状態は、図１０に示すようになる。固定用ピン１６の両側の端面が平面であり、この端面がハフニウム部材３Ｕの側面よりもシース内面側に突出しており、固定用ピン１６とシース６の内面に形成される間隙の幅は非常に狭い。このため、ハフニウム部材３Ｕとシース６の間に形成される間隙内を上昇する冷却水は、固定用ピン１６によって流れを遮られ、固定用ピン１６の周囲では、図１０に流線１７で示すように、冷却水が固定用ピン１６の側面によって曲げられて流れている。固定用ピン１６の端面とシース６の内面の間は他の領域よりも狭隘な状態になっており、固定用ピン１６の端面とシース６の内面を流れる冷却水が少なくなって除熱しにくいため沸騰しやすくなる。固定用ピン１６の下流側も、固定用ピン１６の影になって冷却水がよどんで排出されにくくなるため、除熱しにくくなる。したがって、固定用ピン６の周囲で固定用ピン付近においてボイド率が高くなり、固定用ピン６を取り囲む高ボイド率領域Ｒ１が形成されるのである。

固定用ピン１６とシース６の内面に形成される間隙の幅は非常に狭いが、シース６内に流入した冷却水に含まれる細かい不純物及び腐食生成物が、固定用ピン１６とシース６の内面に形成される間隙に入り込んでこの間隙を塞ぐ恐れがある。固定用ピン１６とシース６の内面に形成される間隙が不純物及び腐食生成物によって塞がれた場合には、この間隙を通して流れる冷却水流が途絶えてしまい、その間隙内では冷却水が滞留する状態が発生する。このため、滞留した冷却水の溶存酸素濃度が低下し、固定用ピン１６とシース６の内面に形成される間隙が隙間腐食環境になる。

固定用ピン１６付近で固定用ピン１６の周囲にボイド率領域Ｒ１が形成されるので、固定用ピン１６とシース６の間隙に形成された隙間腐食環境がさらに悪化する懸念がある。

発明者らは、このような問題を解決する案を種々検討した。この結果、発明者らは、固定用ピン１６の両側の端面に沿って冷却水がより流れ易くすれば良いとの結論に達した。固定用ピンの端面とシース６の内面との間の間隙の幅が拡がるように、固定用ピンの端面に冷却水が流れる通路を形成すれば良いのである。

固定用ピンの端面に形成された冷却水通路が制御棒の軸方向を向くように、固定用ピンを舌状部（保持部）に取り付けることによって、その冷却水通路内を冷却水が流れ易くなるので、固定用ピンの周囲に形成される高ボイド率領域Ｒ１が著しく縮小され、さらに、固定用ピンとシースの間の間隙が腐食生成物等によって塞がれることが無くなる。特に、固定用ピン１６の下流側でのよどみが、固定用ピンの端面に形成された冷却水通路内を流れる冷却水によって無くなる。このため、シースの、固定用ピン付近の部分で照射誘起型応力腐食割れが発生することを抑制することができる。

以上の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。

本発明の好適な一実施例である実施例１の制御棒を、図１〜図３に基づいて以下に説明する。本実施例の制御棒１は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）で用いられる制御棒である。この制御棒１は、横断面が十字形であり、軸心に配置されたタイロッド４から四方に伸びる４枚のブレード２を有する。ハンドル５がタイロッド４の上端部に取り付けられ、下部支持部材８がタイロッド４の下端部に取り付けられる。下部支持部材８は、下部支持板または落下速度リミッタである。ローラ１６が回転可能に下部支持部材８に取り付けられる。このローラ１６は、炉心に装荷されている燃料集合体のチャンネルボックスの外面と接触し、制御棒１を燃料集合体間で円滑に移動させる機能を有する。

各ブレード２は、横断面がＵ字状をしているシース６、扁平な筒、例えば楕円形状の筒であるハフニウム部材３Ｕ，３Ｌを有する（図１参照）。ハフニウム部材３Ｕ，３Ｌの、シース６内面に向かい合っている各側面は、平面になっている。シース６はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４及びＳＵＳ３１６Ｌ等）によって構成される。シース６の上端はハンドル５に溶接され、シース６の下端は下部支持部材８に溶接されている。シース６のＵ字の両端部には、複数のタブ（突出部）１８が軸方向において所定の間隔を置いて形成されている。これらのタブ１８は、シース６の一部であるが、タイロッド４側に向かって突出している部分である。これらのタブ１８は溶接にてタイロッド４に接合されている。上記したシース６とタイロッド４、ハンドル５及び下部支持板８とのそれぞれの接合は、例えば、レーザ溶接によって行われる。

１つのブレード２のシース６内に形成される空間内に、２つのハフニウム部材（第１ハフニウム部材）３Ｕ及び２つのハフニウム部材（第２ハフニウム部材）３Ｌが配置されている。ハフニウム部材３Ｕはハフニウム部材３Ｌの上方に位置しており、これらの軸方向の長さは同じである。ハフニウム部材３Ｕは、ハンドル５の下端部に形成された舌状部（第１保持部）１１Ｕに固定用ピン１２で取り付けられている。ハフニウム部材３Ｌは、下部支持部材８の上端部に形成された舌状部（第２保持部）１１Ｌに固定用ピン（ピン部材）１２で取り付けられている。ハフニウム部材３Ｕは上端部がハンドル５に取り付けられ、ハフニウム部材３Ｌが下部支持部材８に取り付けられている。これらのハフニウム部材は中性子吸収部材である。ＢＷＲの運転中においてハフニウム部材３Ｕ，３Ｌが熱膨張してもそれらのハフニウム部材が互いに接触しないように、ハフニウム部材３Ｕの下端とハフニウム部材３Ｌの上端との間のギャップ（図示せず）が形成されている。

制御棒１は、ＢＷＲの原子炉圧力容器内に配置され、原子炉出力を制御するために、複数の燃料集合体が装荷された炉心内に制御棒駆動機構（図示せず）によって出し入れされる。制御棒１は、下部支持部材８の下端部に設けられたコネクタ１７によって原子炉圧力容器の底部に設けられた制御棒駆動機構に連結される。制御棒駆動機構は、制御棒１の炉心内への挿入操作、及び制御棒１の炉心からの引き抜き操作を行う。原子炉圧力容器内を流れる冷却水（冷却材）は、シース６に形成された一部の開口１４及びシース６の最下端部に形成された複数の開口９Ｌからシース６内に流入し、ハフニウム部材３Ｕ，３Ｌを冷却して他の開口１４（特に上端部に位置する開口１４）及びシース６の最上端部に形成された複数の開口９Ｕからシース６の外に流出する。シース６内に流入した冷却水は、ハフニウム部材３Ｕに設けられた小径の開口１３を通ってハフニウム部材３Ｕ内に流入し、また、ハフニウム部材３Ｌに形成された小径の開口１５を通ってハフニウム部材３Ｌ内に流入する。このように、冷却水がハフニウム部材３Ｕ，３Ｌ内に流入することによって、これらのハフニウム部材の冷却効果が増大される。

各固定用ピン１２の両側の端面には、図３に示すように、平行に配列された直線状の２つの溝（冷却材通路）２０Ａ，２０Ｂが形成されている。これらの溝２０Ａ，２０Ｂは、底面が曲面になっている溝である。溝２０Ａ，２０Ｂの深さは０．３ｍｍ以上であり、これらの溝の最大深さは固定用ピン１２の強度に開く栄枯湯を及ぼさない程度がよい。固定用ピン１２の端面で溝２０Ａと溝２０Ｂの間には、突出部２１が形成される。突出部２１の表面は、図３（Ｂ）に示すように、曲面になっている。舌状部１１Ｕに形成された貫通孔内に挿入された固定用ピン１２が、ハフニウム部材３Ｕを舌状部１１Ｕに取り付ける（図２参照）。舌状部１１Ｌに形成された貫通孔内に挿入された固定用ピン１２が、ハフニウム部材３Ｌを舌状部１１Ｌに取り付ける（図２参照）。それぞれの固定用ピン１２が各舌状部に取り付けられた状態で、溝２０Ａ，２０Ｂが制御棒１の軸方向を向いている。溝２０Ａ，２０Ｂのそれぞれの底面とシース６の内面との間に、図２に示すように、シース６の内面との間の幅が広くなった冷却水通路がそれぞれ形成される。

本実施例の制御棒１を備えたＢＷＲが運転されているとき、原子炉出力の調節のため、一部の制御棒１が炉心に挿入されている。この状態で、炉心に供給される冷却水の一部が、制御棒１のシース６に形成された開口９Ｌ，１４を通ってシース６内に流入し、ハフニウム部材３Ｌ，３Ｕとシース６の間に形成された間隙を通って上昇する。この間隙内を上昇する冷却水は、（ｎ，γ）反応により発熱するハフニウム部材３Ｌ，３Ｕを冷却する。この冷却水は、各固定用ピン１２の端面とシース６の内面の間では、制御棒１の軸方向を向いている直線状の溝（冷却材通路）２０Ａ，２０Ｂを通って上方に向って流れる。

（ｎ，γ）反応により発熱するハフニウム部材３Ｌ，３Ｕの冷却によって冷却水中に発生するボイドが、固定用ピン１２とシース６内面の間の間隙においても溝２０Ａ，２０Ｂ内を流れる冷却水によって上方へ流されるので、固定用ピン１２の周囲に集まらなくなる。このため、各固定用ピン１２付近での高ボイド率領域Ｒ１の形成が抑制される。また、溝２０Ａ，２０Ｂ内を冷却水が流れることによって、固定用ピン１２とシース６内面の間の間隙が不純物及び腐食生成物によって塞がれることを防止できる。固定用ピン１２とシース６内面の間の間隙内に、隙間腐食環境が形成されることもなくなる。したがって、本実施例の制御棒１では、シース６の固定用ピン１２付近での照射誘起型応力腐食割れの発生を著しく抑制することができる。

シース６内の冷却水の流動によって生じる、固定用ピン１２の、固定用ピン１２の軸方向での振動を抑制するためには、固定用ピン１２の両側の端面に形成されたそれぞれの突出部２１の頂部が、シース６の内面に接触することが好ましい。固定用ピン１２の端面に形成される突出部２１の頂部が曲面になっているため、突出部２１の頂部がシース６の内面に接触しても、固定用ピン１２とシース６の内面の接触が面接触にならず、線接触になるので、この部分に不純物及び腐食生成物が非常に堆積しづらくなる。したがって、突出部２１とシース６の内面の間に、隙間腐食環境が形成される確率が非常に小さくなる。

固定用ピン１２付近の冷却水の流動状態を、図５（Ａ）を用いて説明する。図５（Ａ）に示す固定用ピンは、本実施例で用いる固定用ピン１２ではなく、後述の実施例２で用いられる固定用ピン１２Ｂであるが、固定用ピン１２Ｂ付近の冷却水の流動状態は、固定用ピン１２付近でのその状態と実質的に同じである。固定用ピン１２Ｂは、両側の端面に幅が広い直線状の溝（冷却水通路）２３を形成している。図５（Ａ）は、本実施例における固定用ピン１２と同様に、溝２３が制御棒の軸方向を向くように、各固定用ピン１２Ｂを舌状部１１Ｕ，１１Ｌに取り付けている。このため、シース６内に流入した冷却水の一部が、流線１７Ｃ（図５（Ａ）参照）で示すように、溝２３内を通過する。流線１７Ａで示される冷却水流が固定用ピン１２Ｂによって曲げられずに上昇し、流線１７Ｂで示される冷却水流が固定用ピン１２Ｂによって曲げられて上昇する。溝２３を制御棒の軸方向を向くように配置することによって、固定用ピン１２Ｂとシース６の内面の間に形成される間隙内を流れる冷却水の流量が増加する。このような冷却水の流量の増加は、固定用ピン１２Ｂの周囲に形成される高ボイド率領域Ｒ１を著しく抑制し、固定用ピン１２Ｂとシース６の内面の間に形成される間隙内での隙間腐食環境の形成を防ぐことができる。固定用ピン１２でも、溝２０Ａ，２０Ｂを制御棒１の軸方向に配置することによって、固定用ピン１２Ｂで生じる上記した現象が生じる。このため、固定用ピン１２付近のシース６における照射誘起型応力腐食割れの発生を抑制することができる。

ちなみに、図５（Ｂ）に示すように、固定用ピン１２Ｂの端面に形成した溝２３を、制御棒の軸方向と直交する方向に配置した場合には、固定用ピン１２Ｂの周囲での冷却水の流動は、流線１８のようになって、図１０に示す従来の制御棒における固定用ピン１６の周囲での冷却水の流動状態と同じになる。したがって、溝２３を、制御棒の軸方向と直交する方向に配置した場合には、従来の制御棒で生じる問題（固定用ピン１６付近で固定用ピン１６を取り囲む高ボイド率領域Ｒ１の形成）が解決できないことが分かる。固定用ピン１２の端面に形成した溝２０Ａ，２０Ｂを制御棒１の軸方向に配置することは、シース６の固定用ピン１２付近の部分での照射誘起型応力腐食割れの発生を抑制することに大きく貢献する。

シース６内を流れる、ボイドを含む冷却水の流動によって、舌状部１１Ｕ．１１Ｌに挿入した各固定用ピン１２の回転を抑制することが必要である。もし、ＢＷＲの運転中に固定用ピン１２が回転して溝２０Ａ，２０Ｂが制御棒１の軸心に対して傾斜した場合には、溝２０Ａ，２０Ｂ内を流れる冷却水の流量が減少する。極論して、溝２０Ａ，２０Ｂが制御棒１の軸方向と直交する方向になるまで固定用ピン１２が回転した場合には、溝２０Ａ，２０Ｂ内を流れる冷却水量が激減してしまう。このような状態が生じた場合には、シース６の固定用ピン付近での照射誘起型応力腐食割れ発生を抑制する効果が低減される。

したがって、固定用ピン１２の回転を避けるために、制御棒１において、回転抑制機構を有する固定用ピン１２を採用することが望ましい。この回転抑制機構の一例を、上記した固定用ピン１２Ｂに適用した例ではあるが、図６を用いて説明する。端面に溝２３を形成した固定用ピン１２Ｂを円形ではなく楕円形にする。この楕円形の断面を有する固定用ピン１２Ｂが挿入される、各舌状部１１Ｕ．１１Ｌに形成される貫通孔も楕円にする。断面が楕円の各固定用ピン１２Ｂを、舌状部１１Ｕ，１１Ｌに形成された楕円形の貫通孔に挿入することによって、固定用ピン１２Ｂの回転を防止することができ、溝２３を、常に、制御棒の軸方向に配置することができる。断面が楕円形をした固定用ピン１２は、回転抑制機構を備えた固定用ピン１２Ｂである。

回転抑制機構を備えた固定用ピンの他の例を図７に示す。溝２３を端面に形成した固定用ピン１２Ｂは、断面が八角形をしている。この固定用ピン１２Ｂがそれぞれ挿入される舌状部１１Ｕ，１１Ｌに形成された貫通孔も、同じ八角形をしている。このため、固定用ピン１２Ｂの回転を防止できる。固定用ピン１２Ｂは、断面形状を三角形、四角形及び六角形等の八角形以外の多角形にしてもよい。

回転抑制機構を備えた固定用ピンの他の例を図８に示す。固定用ピン１２Ｂの断面、及びこの固定用ピン１２Ｂがそれぞれ挿入される舌状部１１Ｕ，１１Ｌに形成された貫通孔を円形にする場合には、固定用ピン１２Ｂとハフニウム部材３Ｕを点溶接等により接合してもよい。図８では、溶接部３０が、固定用ピン１２Ｂとハフニウム部材３Ｕを接合し、固定用ピン１２Ｂの回転を防止している。溶接部３０の替りに、キーを用いて、舌状部１１Ｕ，１１Ｌの貫通孔に挿入されたそれぞれの固定用ピン１２Ｂの回転を防止することもできる。溶接部及びキーが回転抑制機構である。

本実施例の制御棒１に用いる固定用ピンの他の例を、図４を用いて説明する。本例の固定用ピン１２Ａは、両側の端面に中心から四方に延びる突起部２２を形成している。突起日２２の頂部は曲面になっている。各突起部２２の内側端は固定用ピン１２Ａの軸心から離れた位置に位置しており、固定用ピン１２Ａの端面の周方向に隣り合う突起部２２の間には、冷却水通路（冷却材通路）２７が形成される。各固定用ピン１２Ａは、冷却水通路２７が制御棒の軸方向を向くように、舌状部１１Ｕ，１１Ｌに取り付けられる。具体的には、各突起部２２が制御棒の軸方向に対して４５°傾斜されている。このため、シース６内を上昇する冷却水が、固定用ピン１２と同様に、冷却水通路２７内を流れて固定用ピン１２Ａの上方に達する。このため、固定用ピン１２Ａを設けた制御棒は、制御棒１と同様に、シース２の固定用ピン１２Ａの部分における照射誘起型応力腐食割れの発生を抑制することができる。

本発明の他の実施例である実施例２の制御棒を、図１１を用いて説明する。本実施例の制御棒は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）で用いられる制御棒であり、実施例１の制御棒１において固定用ピン１２を図１１に示す固定用ピン１２Ｂに替えた構成を有する。本実施例の制御棒の他の構成は実施例１の制御棒１と同じである。

固定用ピン１２Ｂは、両側の端面に直線状の１つの溝２３を形成している（図１１（Ａ）参照）。この溝２３の底面は平面になっている（図１１（Ｂ）参照）。溝２３の深さは固定用ピン１２で形成された溝２０Ａ，２０Ｂと同じである。この溝２３が本実施例の制御棒の軸方向を向いて配置されるように、固定用ピン１２Ｂが舌状部１１Ｕ，１１Ｌのそれぞれに形成された各貫通孔に挿入され、ハフニウム部材３Ｕ，３Ｌのそれぞれを実施例１の制御棒１と同様に該当する舌状部に取り付けている。

本実施例の制御棒では、図５（Ａ）に示すように、溝２３内を流れる冷却水量が増加し、固定用ピン１２Ｂとシース６の内面の間に形成される間隙内を流れる冷却水の流量が増加する。このため、本実施例の制御棒は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。

本実施例の制御棒においても、図６から図８に示す各回転抑制機構を適用することが望ましい。

本実施例の制御棒において、固定用ピン１２Ｂを図１２に示す固定用ピン１２Ｃに替えてもよい。固定用ピン１２Ｃは、図１２（Ａ）に示すように、両側の各端面に直線状の２つの溝２４を形成している。これらの溝２４の底面も平面になっている（図１２（Ｂ）参照）。各溝２４は制御棒の軸方向を向いて配置されるように、固定用ピン１２Ｃが舌状部１１Ｕ，１１Ｌのそれぞれに形成された各貫通孔に挿入され、ハフニウム部材３Ｕ，３Ｌのそれぞれを実施例１の制御棒１と同様に該当する舌状部に取り付ける。固定用ピン１２Ｃを設けた制御棒も、制御棒１で生じる各効果を得ることができる。

本発明の他の実施例である実施例３の制御棒を、図１３を用いて説明する。本実施例の制御棒は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）で用いられる制御棒であり、実施例１の制御棒１において固定用ピン１２を図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）に示す固定用ピン１２Ｄに替えた構成を有する。本実施例の制御棒の他の構成は実施例１の制御棒１と同じである。

固定用ピン１２Ｄは、両側の端面に直交する十字形の溝２５を形成している（図１３（Ａ）参照）。十字形の溝２５で互いに直交する方向に伸びる各溝の幅は広くなっている。十字形の溝２５の底面も平面になっている（図１３（Ｂ）参照）。十字形の溝２５のうち１つの方向に伸びる直線状の溝が本実施例の制御棒の軸方向を向いて配置されるように、固定用ピン１２Ｄが舌状部１１Ｕ，１１Ｌのそれぞれに形成された各貫通孔に挿入され、ハフニウム部材３Ｕ，３Ｌのそれぞれを実施例１の制御棒１と同様に該当する舌状部に取り付けている。

本実施例の制御棒では、図１４（Ａ）に示すように、十字形の溝２５のうち制御棒の軸方向を向いている溝を通して上方に向かって流れる冷却水量が増加し、固定用ピン１２Ｄとシース６の内面の間に形成される間隙内を流れる冷却水の流量が増加する。図１４（Ａ）に示す固定用ピン１２Ｄを４５°回転させた状態、すなわち、十字形の溝２５のうち１つの方向を向いている溝が制御棒の軸方向に対して４５°に傾斜しているときにも（図１４（Ｂ）参照）、溝２５内を通して冷却水が上昇する。このような本実施例の制御棒は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。

本実施例の制御棒においても、図６から図８に示す各回転抑制機構を適用することが望ましい。

本実施例の制御棒において、固定用ピン１２Ｄを図１５に示す固定用ピン１２Ｅに替えてもよい。固定用ピン１２Ｅは、図１５（Ａ）に示すように、ある方向に配置された複数の溝、及びこの方向と直交する方向に複数の溝を配置した格子状の溝２６を形成している。この溝２６の底面も平面になっている（図１５（Ｂ）参照）。格子状の溝２６は制御棒の軸方向を向いて配置されるように、固定用ピン１２Ｅが舌状部１１Ｕ．１１Ｌのそれぞれに形成された各貫通孔に挿入され、ハフニウム部材３Ｕ，３Ｌのそれぞれを実施例１の制御棒１と同様に該当する舌状部に取り付ける。固定用ピン１２Ｅを設けた制御棒も、制御棒１で生じる各効果を得ることができる。

本発明の他の実施例である実施例４の制御棒を、図１６、図１７及び図１８を用いて説明する。本実施例の制御棒は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）で用いられる制御棒であり、実施例１の制御棒１Ａにおいて固定用ピン１２を従来の制御棒で用いられている固定用ピン１６に替え、シース６に新たに冷却孔３１を形成した構成を有する。本実施例の制御棒の他の構成は実施例１の制御棒１と同じである。

制御棒１Ａでは、図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）に示す固定用ピン１６が用いられる。固定用ピン１６は、両端が平面になっており、実施例１〜３に用いられる固定用ピンのように、両端には溝が形成されていない。固定用ピン１６は、図１７に示すように、ハンドル５に形成された舌状部１１Ｕに形成された貫通孔に挿入され、ハフニウム部材３Ｕを保持している。図示されていないが、ハフニウム部材３Ｌも、固定用ピン１６によって、下部支持部材８に形成された舌状部１１Ｌに取り付けられる。

シース６では、隣り合う一対の冷却孔３１が、舌状部に取り付けられた各固定用ピン１６の両側の端面に向かい合ってそれぞれ形成されている。これらの冷却孔３１は、制御棒の軸方向に細長く伸びており、冷却孔３１の軸方向の長さは固定用ピン１６の直径よりも長くなっている。冷却孔３１は、固定用ピン１６の直径よりも小さい内径であれば、円形の孔にしてもよい。

シース６に冷却孔３１を形成することにより、シース６内で固定用ピン１６付近に存在する冷却水、及び固定用ピン１６とシース６の内面との間に存在する冷却水が、冷却孔３１を通してシース６の内外に出入りすることにより流動できるようになる。この結果、固定用ピン１６付近で固定用ピン１６を取り囲む高ボイド率領域Ｒ１の形成が抑制される。さらに、固定用ピン１６とシース６の内面との間に形成された間隙への腐食生成物の堆積を防止することができ、この間隙内の隙間腐食環境を改善することができる。

このような本実施例も、実施例１と同様に、シース６の固定用ピン１６付近での照射誘起型応力腐食割れの発生を抑制することができる。

なお、実施例１〜４においても、各固定用ピンの端面に向かい合うように、シース６に冷却孔３１を形成してもよい。実施例１〜４のそれぞれにおいて、シース６に冷却孔３１を形成することにより、照射誘起型応力腐食割れの発生確率をさらに低減することができる。

実施例１〜４において、ハフニウム部材３Ｕ，３Ｌを、特開２００９−４１９９４号公報の図３（ａ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に記載された、横断面が扁平な楕円形をしている筒状のハフニウム部材に替えてもよい。特開２００９−４１９９４号公報の図３（ａ）に記載されたハフニウム部材は、側壁の横断面中央部を内側に窪ませている。特開２００９−４１９９４号公報の図３（ｂ）に記載されたハフニウム部材では、側壁の横断面中央部の肉厚が薄くなっている。これにより、ハフニウム部材の側壁の横断面中央部に、内側に向う窪みが形成される。特開２００９−４１９９４号公報の図３（ｃ）に記載されたハフニウム部材は、側壁の幅方向において波状に蛇行する側面を、側壁に形成している。

これらのハフニウム部材は、いずれも、ハフニウム部材の側壁の外面に、ハフニウム部材とシース６の内面との間に形成される間隙の幅を増大させる窪みを形成している。このため、シース６内に流入する不純物及び腐食生成物がハフニウム部材とシース６の内面との間に形成される間隙に蓄積することを著しく低減することができ、この間隙における冷却水の流動を良好な状態に保つことができる。ハフニウム部材とシース６の内面との間に形成される間隙が、隙間腐食環境になることを防止することができる。この結果、シース６の、ハフニウム部材に面する部分での照射誘起型応力腐食割れの発生を抑制することができる。

したがって、実施例１〜４において、ハフニウム部材３Ｕ，３Ｌを、特開２００９−４１９９４号公報の図３（ａ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に記載されたいずれかのハフニウム部材に替えることによって、シース６の固定用ピン付近の部分だけでなく、シース６のハフニウム部材に面する部分においても、照射誘起型応力腐食割れの発生を抑制することができる。

１，１Ａ…制御棒、２…ブレード、３Ｕ，３Ｌ…ハフニウム部材、４…タイロッド、５…ハンドル、６…シース、８…下部支持部材、１１Ｕ，１１Ｌ…舌状部、１２，１２Ａ〜１２Ｅ，１６…固定用ピン、２０Ａ，２０Ｂ，２３〜２６…溝、２１…突出部、２２…突起部、３１…冷却孔。

Claims (8)

1. タイロッドと、前記タイロッドの上端部に取り付けられたハンドルと、前記タイロッドの下端部に取り付けられた下部支持部材と、上端部が前記ハンドルに取り付けられ、下端部が前記下部支持部材に取り付けられ、さらに、前記タイロッドに取り付けられ、かつ横断面がＵ字状をしていて前記タイロッドから四方に伸びる４つのシースと、それぞれのシース内に配置された第１ハフニウム部材とを備え、
   前記第１ハフニウム部材が前記ハンドルの下端部に設けられた第１保持部にピン部材によって取り付けられ、
   前記シースの内面側が開放されて前記ピン部材の端部を横切っている冷却材通路が、前記ピン部材の両端部にそれぞれ形成され、
   この冷却材通路が前記タイロッドの軸方向に配置されていることを特徴とする制御棒。
2. 前記シース内で前記第１ハフニウム部材よりも下方に配置された第２ハフニウム部材を、前記冷却材通路が両端部に形成された他の前記ピン部材によって、前記下部支持部材の上端部に設けられた第２保持部に取り付けている請求項１に記載の制御棒。
3. 複数の突起部が前記ピン部材の端面において前記ピン部材の軸心から放射状に形成され、前記冷却材通路が隣り合う前記突起部の間に形成され、前記突起部の頂部に曲面が形成されている請求項１または２に記載の制御棒。
4. 前記ピン部材が回転抑制機構を備えている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の制御棒。
5. 前記シースの、前記ピン部材の端面に対向する部分に、前記シースを貫通する冷却材孔を形成した請求項１ないし４のいずれか１項に記載の制御棒。
6. タイロッドと、前記タイロッドの上端部に取り付けられたハンドルと、前記タイロッドの下端部に取り付けられた下部支持部材と、上端部が前記ハンドルに取り付けられ、下端部が前記下部支持部材に取り付けられ、さらに、前記タイロッドに取り付けられ、かつ横断面がＵ字状をしていて前記タイロッドから四方に伸びる４つのシースと、それぞれのシース内に配置された第１ハフニウム部材とを備え、
   前記第１ハフニウム部材が前記ハンドルの下端部に設けられた第１保持部にピン部材によって取り付けられ、
   前記シースの、前記ピン部材の端面に対向する部分に、前記シースを貫通する冷却材孔を形成したことを特徴とする制御棒。
7. 前記シース内で前記第１ハフニウム部材よりも下方に配置された第２ハフニウム部材を、他の前記ピン部材によって、前記下部支持部材の上端部に設けられた第２保持部に取り付け、前記冷却材孔を、前記シースの、前記他のピン部材の端面に対向する部分にも形成した請求項６に記載の制御棒。
8. 前記第１及び第２ハフニウム部材が、それぞれの側壁の、前記シースの内面に対向する側面に窪み部を形成した請求項２または請求項６に記載の制御棒。

Images